反應(yīng)釜試劑中差壓變送器轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的研究

　 　   當(dāng)反應(yīng)釜試劑差壓變送器是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的非常好能動(dòng)設(shè)備，在一回路中具有重要的作用。既是一回路壓力邊界，同時(shí)也承擔(dān)著反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)等核安全和非核安全的雙重作用。因此，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器的運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)也十分重要。其中，轉(zhuǎn)速是反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器一個(gè)重要的運(yùn)行參數(shù)，表征著差壓變送器的主要功能是否正常。因此，對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速的測(cè)量十分重要。本文介紹了一種反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速的測(cè)量裝置，對(duì)主差壓變送器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。該裝置具有精度高，響應(yīng)時(shí)間短，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以用于核電廠反應(yīng)堆以及船用反應(yīng)堆的冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速測(cè)量。

0 引言

反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器作為一回路的壓力邊界設(shè)備，是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中非常好的能動(dòng)設(shè)備[1] ，其作用是推動(dòng)反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)，將反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的熱能，通過蒸汽發(fā)生器將能量傳遞到二回路系統(tǒng)中[2] 。在反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器的運(yùn)行過程中，需要對(duì)振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速、溫度等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中轉(zhuǎn)速信號(hào)是反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)對(duì)于反應(yīng)堆的安全運(yùn)行具有重要意義。因此，要求轉(zhuǎn)速的測(cè)量設(shè)備具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

1 差壓變送器的基本類型

冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速測(cè)量差壓變送器采用的是非接觸式差壓變送器，根據(jù)工作原理的不同主要分為渦流式和磁阻式兩種[3] 。渦流式差壓變送器是一種有源非接觸式電磁差壓變送器，利用高頻的交流電壓通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)線圈靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁鏈穿過金屬導(dǎo)體，在表面感應(yīng)形成一個(gè)渦流，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過線圈，形成了互感效應(yīng)。根據(jù)互感原理，互感效應(yīng)的強(qiáng)弱，取決于金屬的材料和金屬導(dǎo)體之間的距離。當(dāng)金屬材料固定時(shí)，感應(yīng)電壓僅取決于金屬導(dǎo)體時(shí)間的距離。在轉(zhuǎn)軸一頭安裝帶有齒形缺口的金屬圓盤，渦流探頭平行于軸的旋轉(zhuǎn)方向放置。渦流探頭的位置固定，當(dāng)金屬圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒頂和齒底分別經(jīng)過渦流探頭，由于齒頂和齒底與渦流探頭的距離不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的大小也不同。因此，在齒頂和齒底交替通過渦流探頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過脈沖的計(jì)數(shù)值可以換算出冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速。

磁阻式差壓變送器是一種無源非接觸式電磁差壓變送器。通過齒輪盤的旋轉(zhuǎn)，在差壓變送器探頭的鐵芯上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和磁通量的變化率、鐵芯材料、鐵芯與齒輪盤的距離有關(guān)[4] 。當(dāng)探頭材料固定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小取決于鐵芯與齒輪盤的距離，以及齒輪盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速率（即磁通的變化率）。當(dāng)齒輪盤的齒頂靠近差壓變送器探頭時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大；當(dāng)齒底靠近差壓變送器探頭時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小。因此，在齒頂和齒底交替接近差壓變送器探頭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，并且當(dāng)齒輪盤轉(zhuǎn)速高的時(shí)候，脈沖信號(hào)的幅值高，齒輪盤轉(zhuǎn)速低的時(shí)候脈沖信號(hào)的幅值低。

無論是渦流式差壓變送器，還是磁阻式差壓變送器輸出的信號(hào)都是模擬的脈沖信號(hào)，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字化處理。目前常用的方法是將脈沖信號(hào)進(jìn)行 F/V 變換，再經(jīng)過 V/I 變換輸出 4mA ～ 20mA 電流信號(hào)，通過對(duì)電流信號(hào)的采集換算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

2 測(cè)量方法的總體設(shè)計(jì)

本文討論的反應(yīng)堆冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置包括：通道調(diào)理電路、控制電路、通信電路、診斷電路。調(diào)理電路對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，方波信號(hào)由控制電路進(jìn)行測(cè)頻和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過診斷電路進(jìn)行對(duì)比診斷，將診斷后的有效數(shù)據(jù)通過通信電路上傳至保護(hù)系統(tǒng)主控模塊。總體設(shè)計(jì)和接口如圖 1 所示。

3 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生原理可知，差壓變送器探頭產(chǎn)生的信號(hào)為類似于正弦的脈沖信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)或者計(jì)頻。信號(hào)調(diào)理電路包括限幅電路、無源濾波電路、差分放大電路、有源濾波電路、積分電路、比較電路、觸發(fā)電路、隔離電路等部分組成，如圖 2 所示。

◇ 輸入接口電路

由于差壓變送器輸出的信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中可能耦合直流信號(hào)，為了避免在后級(jí)處理中直流電壓偏置影響測(cè)量，在輸入端放置隔直電容，對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行隔離。隔離后的交流信號(hào)進(jìn)行無源濾波，電路原理如圖 3 所示。通過電容后的脈沖信號(hào)經(jīng)過 π 濾波電路，將高頻信號(hào)濾除，根據(jù)實(shí)際差壓變送器的轉(zhuǎn)速和對(duì)于齒輪盤的結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率也有所差異。一般情況下頻率的值不會(huì)超過 1kHz。由于前端的濾波器是由無源器件構(gòu)成，如果將濾波頻率設(shè)計(jì)過低，會(huì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間造成影響。因此，前端的濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)為 500kHz，濾除一部分高頻干擾，部分低頻的干擾在后級(jí)采用有源濾波的方式進(jìn)行濾波，可以達(dá)到較高的響應(yīng)時(shí)間。

在濾波電容的兩端并聯(lián)正反兩個(gè)二極管，用來限制脈沖信號(hào)的幅度，采用一般的硅信號(hào)二極管，正向的壓降為0.7V 左右，反向擊穿電壓可達(dá) 100V?？梢詫⑤斎氲拿}沖信號(hào)的幅值進(jìn)行鉗位，避免對(duì)后級(jí)器件造成損壞。

◇ 差分放大及有源濾波電路

現(xiàn)場(chǎng)差壓變送器輸出的脈沖信號(hào)是一對(duì)差分信號(hào)（浮地），需要將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，由于輸入接口進(jìn)行了鉗位，在差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端信號(hào)的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，便于后級(jí)電路的處理。為了得到高的共模抑制比，選用儀表放大器對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過有源濾波器進(jìn)行濾波，電路原理如圖 4 所示。

儀表放大器采用 ±15 供電，保證可以正負(fù)信號(hào)輸出。儀表放大器可以通過外部電阻對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行設(shè)置，放大倍數(shù)設(shè)置在 3 ～ 5 倍。設(shè)置值過大，儀表放大器無法正常輸出脈沖波形，可能導(dǎo)致脈沖波形失真，同時(shí)倍數(shù)過大會(huì)導(dǎo)致偏置電壓、增益誤差等指標(biāo)變差。有源濾波采用正反饋型低通濾波，為 2 階濾波電路通過對(duì)電阻電容的選擇，控制濾波器的截止頻率、增益、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)。根據(jù)實(shí)際的需要將截止頻率設(shè)置在 1.1kHz，增益設(shè)置為 2 倍，在選擇運(yùn)算放大器時(shí)，選擇偏置電壓小、電源抑制比高、開關(guān)增益大、輸入阻抗大的型號(hào)，保證濾波器的工作效果。

為了保證通道和系統(tǒng)之間的電氣隔離，選擇隔離開關(guān)電源為儀表放大器和運(yùn)算放大器進(jìn)行供電，同時(shí)在靠近芯片的供電管腳增加 π 濾波器，減小開關(guān)電源的噪聲和紋波對(duì)芯片的影響。

◇ 積分電路

在使用磁阻式差壓變送器的過程中，隨時(shí)間的推移，感應(yīng)線圈或者永磁體的性能可能發(fā)生變化，另外由于軸在旋轉(zhuǎn)的過程中存在振動(dòng)，導(dǎo)致差壓變送器輸出存在干擾波形或者畸變波形，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性造成影響[3] 。

為了消除或者降低這種影響，電路中設(shè)計(jì)一級(jí)積分電路，對(duì)干擾波形進(jìn)行平滑處理，方便后面進(jìn)行電壓比較。積分電路的原理如圖 5 所示，在積分電容上并聯(lián)一個(gè)二極管，只處理正半周的波形，防止積分是負(fù)半周的同時(shí)積分，降低信號(hào)的幅值。由于積分電路輸出的為反向信號(hào)，需要一個(gè)反相器對(duì)信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)為正向脈沖信號(hào)。

◇ 比較電路和隔離電路

經(jīng)過積分和反相器輸出的脈沖信號(hào)通過比較器的閾值比較，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，方波信號(hào)再經(jīng)過光耦進(jìn)行信號(hào)的電氣隔離，將通道信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)信號(hào)，F(xiàn)PGA對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，根據(jù)齒輪盤的齒數(shù)，可以計(jì)算出冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速。電路原理如圖 6 所示。比較器的參考電壓信號(hào)由 DAC 芯片提供，DAC 輸出值由 FPGA 通過通信總線進(jìn)行控制，DAC 輸出的電壓經(jīng)過電阻分壓至比較器的負(fù)端。為了避免差壓變送器探頭長(zhǎng)時(shí)間使用后波形畸變，導(dǎo)致門限電平需要進(jìn)行相應(yīng)的改變，預(yù)留了調(diào)試接口，可以通過外部的串口經(jīng)過接口芯片對(duì)門限電平進(jìn)行從新設(shè)置，增加了電路的壽命和適應(yīng)性。

4 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前常見的冷卻劑差壓變送器轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法是通過前置器將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 4mA ～ 20mA 模擬量信號(hào)輸出至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)[4] 。反應(yīng)堆保護(hù)的模擬量采集裝置再對(duì)4mA ～ 20mA 量信號(hào)進(jìn)行采集，得到冷卻劑差壓變送器的轉(zhuǎn)速值。如果前置器沒有電氣隔離的情況下，一般還要通過模擬量隔離后再進(jìn)行模擬量采集。因此，在轉(zhuǎn)換和采集的過程中都存在誤差，經(jīng)過幾級(jí)的誤差累積，導(dǎo)致非常后采集轉(zhuǎn)速的精度降低，同時(shí)模擬量的輸出和采集還會(huì)受到溫度的影響，導(dǎo)致不同溫度下測(cè)量值的漂移。

為了避免信號(hào)的多級(jí)傳遞中的累計(jì)誤差，在調(diào)理電路中直接通過光耦進(jìn)行電氣隔離，不用將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出，直接對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)屬于低頻信號(hào)，因此采用測(cè)頻法對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖的頻率進(jìn)行測(cè)量[5] ，通過齒輪盤的齒數(shù)，將頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速，將測(cè)量的轉(zhuǎn)速值通過通信接口直接上傳至保護(hù)系統(tǒng)的主控模塊。在保證充分隔離的條件下，既簡(jiǎn)化了鏈路，又提高了精度。

5 冗余及診斷設(shè)計(jì)

為了提高裝置的可用性，在裝置中增加了冗余設(shè)計(jì)，包括供電冗余和通道冗余。采用兩路 24V 進(jìn)行供電，當(dāng)一路供電出現(xiàn)故障時(shí)，裝置的工作不受影響。

設(shè)置兩路輸入通道，同時(shí)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)比診斷。當(dāng)兩路冗余通道的采集值相差超過精度時(shí)，兩路通道的數(shù)據(jù)均無效；當(dāng)兩路通道采集的數(shù)據(jù)差值在誤差范圍內(nèi)，選取其中一路采集值作為有效值。同時(shí)在信號(hào)輸入接口處預(yù)留了定期試驗(yàn)的輸入接口，通過開關(guān)進(jìn)行切換，由工作狀態(tài)切換至定期試驗(yàn)狀態(tài)。通過定期試驗(yàn)對(duì)板卡的精度進(jìn)行檢測(cè)，確保板卡的可靠性。

6 結(jié)束語